Autonomní podvodní vozidlo - Autonomous underwater vehicle
Autonomní podvodní vozidlo ( AUV ) je robot , který cestuje pod vodou bez nutnosti vstup od operátora. AUV tvoří součást větší skupiny podmořských systémů známých jako bezpilotní podvodní vozidla , což je klasifikace, která zahrnuje neautonomní dálkově ovládaná podvodní vozidla (ROV)-ovládaná a napájená z povrchu operátorem/pilotem pomocí umbilikálu nebo pomocí dálkového ovládání. Ve vojenských aplikacích je AUV častěji označován jako bezpilotní podmořské vozidlo ( UUV ). Podvodní kluzáky jsou podtřídou AUV.
Dějiny
První AUV byl vyvinut v Laboratoři aplikované fyziky na Washingtonské univerzitě již v roce 1957 Stanem Murphym, Bobem Francoisem a později Terrym Ewartem. „Special Purpose Underwater Research Vehicle“ neboli SPURV bylo použito ke studiu difúze, akustického přenosu a podmořských probuzení.
Další rané AUV byly vyvinuty na Massachusettském technologickém institutu v 70. letech minulého století. Jeden z nich je vystaven v Hart Námořní galerii v MIT. Ve stejné době byly AUV vyvinuty také v Sovětském svazu (i když to bylo běžně známo až mnohem později).
Aplikace
Tento typ podvodních vozidel se v poslední době stal atraktivní alternativou pro podmořské vyhledávání a průzkum, protože jsou levnější než pilotovaná vozidla. V posledních letech došlo k velkému počtu pokusů o vývoj podvodních plavidel, které by splnily výzvu průzkumných a těžebních programů v oceánech. V poslední době se vědci zaměřili na vývoj AUV pro dlouhodobý sběr dat v oceánografii a správě pobřeží.
Komerční
Ropný a plynárenský průmysl používá AUV k vytváření podrobných map mořského dna, než začnou budovat podmořskou infrastrukturu; potrubí a dokončené podmořské stavby lze instalovat nákladově nejefektivnějším způsobem s minimálním narušením životního prostředí. AUV umožňuje průzkumovým společnostem provádět přesné průzkumy oblastí, kde by tradiční batymetrické průzkumy byly méně účinné nebo příliš nákladné. Nyní jsou také možné průzkumy potrubí po pokládce, které zahrnují kontrolu potrubí. Používání AUV pro inspekci potrubí a inspekci podvodních umělých struktur je stále běžnější.
Výzkum
Vědci používají AUV ke studiu jezer, oceánu a oceánského dna. K AUV lze připevnit řadu senzorů pro měření koncentrace různých prvků nebo sloučenin, absorpce nebo odrazu světla a přítomnosti mikroskopického života. Příklady zahrnují senzory vodivosti, teploty a hloubky (CTD), fluorometry a senzory pH . Navíc mohou být AUV konfigurovány jako tažná vozidla pro dodávku přizpůsobených balíčků senzorů na konkrétní místa.
Laboratoř aplikované fyziky na Washingtonské univerzitě vytváří iterace své platformy Seaglider AUV od 50. let minulého století. Ačkoli byl iRobot Seaglider původně určen pro oceánografický výzkum, v posledních letech zaznamenal velký zájem organizací, jako je americké námořnictvo nebo ropný a plynárenský průmysl. Skutečnost, že tyto autonomní kluzáky jsou relativně levné na výrobu a provoz, svědčí o většině platforem AUV, které budou úspěšné v mnoha aplikacích.
Příkladem interakce AUV přímo se svým prostředím je Robot Crown-Of-Thorns Starfish Robot ( COTSBot ) vytvořený Queensland University of Technology (QUT). COTSBot najde a vymýtí hvězdici z trnových korun ( Acanthaster planci ), druh, který poškozuje Velký bariérový útes . K identifikaci hvězdice používá neurální síť a k jejímu usmrcení vstřikuje žlučové soli .
Hobby
Mnoho robotiků staví AUV jako koníček. Existuje několik soutěží, které umožňují těmto domácím AUV soutěžit proti sobě při plnění cílů. Stejně jako jejich komerční bratři mohou být tyto AUV vybaveny kamerami, světly nebo sonarem. V důsledku omezených zdrojů a nezkušenosti mohou amatérské AUV jen zřídka konkurovat komerčním modelům v provozní hloubce, trvanlivosti nebo propracovanosti. A konečně, tyto hobby AUV obvykle neprobíhají, jsou provozovány většinu času v bazénech nebo na jezerech. Jednoduchý AUV může být vyroben z mikrokontroléru, tlakového pouzdra z PVC , automatického pohonu zámku dveří, stříkaček a relé DPDT . Někteří účastníci soutěží vytvářejí návrhy, které spoléhají na software s otevřeným zdrojovým kódem.
Nelegální obchod s drogami
Ponorky, které autonomně cestují do cíle pomocí GPS navigace, byly vyrobeny nelegálními obchodníky s drogami.
Vyšetřování leteckých nehod
Autonomní podvodní vozidla, například AUV ABYSS , byla použita k nalezení vraků chybějících letadel, např. Air France Flight 447 a Bluefin-21 AUV byl použit při hledání letu Malaysia Airlines 370 .
Vojenské aplikace
Hlavní plán amerického námořního bezpilotního podmořského vozidla (UUV) určil následující mise UUV:
- Inteligence, dohled a průzkum
- Důlní protiopatření
- Protiponorková válka
- Kontrola/identifikace
- Oceánografie
- Uzly komunikační/navigační sítě
- Dodávka užitečného zatížení
- Informační operace
- Časově kritické údery
Hlavní plán námořnictva rozdělil všechny UUV do čtyř tříd:
- Třída přenosného vozidla pro muže: výtlak 25–100 lb; Výdrž 10–20 hodin; vypouštěno z malých vodních plavidel ručně (tj. Mk 18 Mod 1 Swordfish UUV )
- Třída lehkých vozidel: výtlak až 500 liber, výdrž 20–40 hodin; vypuštěno z RHIB pomocí systému launch-retriever nebo pomocí jeřábů z hladinových lodí (tj. Mk 18 Mod 2 Kingfish UUV )
- Třída těžkých vozidel: výtlak až 3 000 liber, výdrž 40–80 hodin, vypuštěn z ponorek
- Třída velkých vozidel: výtlak až 10 tun; vypuštěn z povrchových lodí a ponorek
V roce 2019 objednalo námořnictvo pět Orca UUV, první akvizici bezpilotních ponorek s bojovými schopnostmi.
Návrhy vozidel
Za posledních zhruba 50 let byly navrženy stovky různých AUV, ale pouze několik společností prodává vozidla ve významném počtu. Existuje asi 10 společností, které prodávají AUV na mezinárodním trhu, včetně Kongsberg Maritime , Hydroid (nyní stoprocentní dceřiná společnost Kongsberg Maritime ), Bluefin Robotics , Teledyne Gavia (dříve známý jako Hafmynd), International Submarine Engineering (ISE) Ltd, Atlas Elektronik a OceanScan.
Velikost vozidel se pohybuje od přenosných lehkých AUV až po vozidla s velkým průměrem o délce více než 10 metrů. Velká vozidla mají výhody, pokud jde o vytrvalost a kapacitu užitečného zatížení senzoru; menší vozidla výrazně těží z nižší logistiky (například: stopa podpůrných plavidel; systémy spouštění a obnovy).
Někteří výrobci těžili ze sponzorství domácí vlády, včetně Bluefin a Kongsberg. Trh je efektivně rozdělen do tří oblastí: vědecké (včetně univerzit a výzkumných agentur), komerční offshore (ropa a plyn atd.) A vojenské aplikace (protiopatření proti minám, příprava bojového prostoru). Většina těchto rolí využívá podobný design a pracuje v režimu plavby (torpédového typu). Shromažďují data při sledování předem naplánované trasy rychlostí mezi 1 a 4 uzly.
Komerčně dostupné AUV zahrnují různé designy, jako například malý REMUS 100 AUV původně vyvinutý Oceanografickým ústavem Woods Hole v USA a nyní komerčně vyráběný společností Hydroid, Inc. (stoprocentní dceřiná společnost Kongsberg Maritime ); větší HUGIN 1000 a 3000 AUV vyvinutých společností Kongsberg Maritime and Norwegian Defence Research Establishment ; vozidla Bluefin Robotics o průměru 12 a 21 palců (300 a 530 mm) a International Submarine Engineering Ltd. snadná manipulace. Některá vozidla využívají modulární konstrukci, která umožňuje snadnou výměnu součástí obsluhou.
Trh se vyvíjí a designy nyní splňují spíše komerční požadavky, než aby byly čistě vývojové. Připravované návrhy zahrnují AUV schopné vznášet se pro inspekci a světelné zásahy (především pro offshore energetické aplikace) a hybridní AUV/ROV designy, které přepínají mezi rolemi jako součást svého profilu mise. Trh bude opět řízen finančními požadavky a cílem ušetřit peníze a drahý čas na lodi.
Dnes, zatímco většina AUV je schopna misí bez dohledu, většina operátorů zůstává v dosahu systémů akustické telemetrie, aby mohla pečlivě sledovat své investice. To není vždy možné. Kanada například nedávno převzala dodávku dvou AUV (ISE Explorers) k průzkumu mořského dna pod arktickým ledem na podporu svého tvrzení podle článku 76 Úmluvy OSN o mořském právu. Také varianty s extrémně nízkým výkonem a dlouhým doletem, jako jsou podvodní kluzáky, začínají být schopny bez dozoru pracovat týdny nebo měsíce v přímořských a otevřených oblastech oceánu, periodicky předávat data satelitem na břeh, než se vrátí vyzvednout.
Od roku 2008 se vyvíjí nová třída AUV, které napodobují vzory nalezené v přírodě. Ačkoli většina je v současné době ve svých experimentálních fázích, tato biomimetická (nebo bionická ) vozidla jsou schopna dosáhnout vyšších stupňů účinnosti v pohonu a manévrovatelnosti kopírováním úspěšných návrhů v přírodě. Dvě taková vozidla jsou AquaJelly (AUV) společnosti Festo a EvoLogics BOSS Manta Ray.
Senzory
AUV nesou senzory pro autonomní navigaci a mapování prvků oceánu. Mezi typické senzory patří kompasy , hloubkové senzory, sidescan a další sonary , magnetometry , termistory a sondy vodivosti. Některé AUV jsou vybaveny biologickými senzory včetně fluorometrů (také známých jako senzory chlorofylu ), senzorů zákalu a senzorů pro měření pH a množství rozpuštěného kyslíku .
Demonstrace v Monterey Bay v Kalifornii v září 2006 ukázala, že AUV o průměru 21 palců (530 mm) dokáže táhnout pole hydrofonu dlouhé 400 stop (120 stop) při zachování 6 uzlů (11 km/h) cestovní rychlost.
Rádiové vlny nemohou proniknout do vody příliš daleko, takže jakmile se AUV ponoří, ztratí signál GPS. Standardní způsob, jak se AUV pohybovat pod vodou, je proto prostřednictvím mrtvého zúčtování . Navigaci lze však zlepšit použitím podvodního akustického polohovacího systému . Při provozu v síti mořských dna rozmístěných základních transpondérů se to nazývá navigace LBL . Když je k dispozici povrchová reference, jako je podpůrná loď, používá se pro určení polohy ultralehkého základního (USBL) nebo krátkého základního (SBL) výpočtu, kde je podmořské vozidlo relativní vůči známé ( GPS ) poloze povrchového plavidla pomocí měření akustického rozsahu a ložisek. Aby se zlepšil odhad jeho polohy a snížily se chyby v mrtvém zúčtování (které rostou v průběhu času), může se AUV také vynořit a provést vlastní opravu GPS. Mezi fixací polohy a přesným manévrováním vypočítává inerciální navigační systém na palubě AUV mrtvé zúčtování polohy, zrychlení a rychlosti AUV. Odhady lze provést pomocí údajů z inerciální měřicí jednotky a lze je vylepšit přidáním Doppler Velocity Log (DVL), který měří rychlost jízdy po dně moře/jezera. Senzor tlaku obvykle měří svislou polohu (hloubku vozidla), i když hloubku a nadmořskou výšku lze také získat z měření DVL. Tato pozorování jsou filtrována, aby se určilo konečné navigační řešení.
Pohon
Pro AUV existuje několik pohonných technik. Některé z nich používají kartáčovaný nebo bezkartáčový elektromotor, převodovku, těsnicí kroužek a vrtuli, které mohou být obklopeny tryskou nebo ne. Všechny tyto části zabudované do konstrukce AUV se podílejí na pohonu. Ostatní vozidla používají k udržení modularity hnací jednotku . V závislosti na potřebě může být tryska vybavena tryskou pro ochranu před kolizí vrtule nebo pro snížení hluku, nebo může být vybavena tryskou s přímým pohonem, která udržuje účinnost na nejvyšší úrovni a zvuky na nejnižší úrovni. Pokročilé trysky AUV mají nadbytečný systém těsnění hřídele, který zaručuje správné utěsnění robota, i když jedno z těsnění během mise selže.
Podvodní kluzáky se samy nepohnou. Změnou svého vztlaku a trimu opakovaně klesají a stoupají; křídla křídla převádějí tento pohyb nahoru a dolů na pohyb vpřed. Změna vztlaku se obvykle provádí pomocí čerpadla, které může nasávat nebo vytlačovat vodu. Rozteč vozidla lze ovládat změnou těžiště vozidla. U kluzáků Slocum se to provádí interně pohybem baterií, které jsou upevněny na šroubu. Kvůli jejich nízké rychlosti a nízkoenergetické elektronice je energie potřebná k cyklování stavů trimu mnohem menší než u běžných AUV a kluzáky mohou mít výdrž měsíců a zaoceánské rozsahy.
komunikace
Protože se rádiové vlny pod vodou nešíří dobře, mnoho AUV obsahuje akustické modemy, které umožňují dálkové ovládání a ovládání. Tyto modemy obvykle využívají proprietární komunikační techniky a modulační schémata. V roce 2017 NATO ratifikovalo standard ANEP-87 JANUS pro podmořskou komunikaci. Tento standard umožňuje 80 komunikačních odkazů BPS s flexibilním a rozšiřitelným formátováním zpráv .
Napájení
Většina AUVs v použití dnes jsou napájeny baterií ( Li-Ion , Li-Pol , niklmetalhydridové atd.), A jsou prováděny s nějakou formou Battery Management System . Některá vozidla používají primární baterie, které poskytují snad dvojnásobnou výdrž - za podstatně vyšší náklady na misi. Několik větších vozidel je poháněno polopalivovými články na bázi hliníku , ale ty vyžadují značnou údržbu, vyžadují nákladné doplňování a produkují odpadní produkty, se kterými je nutné bezpečně zacházet. Nastupujícím trendem je kombinování různých bateriových a napájecích systémů se superkondenzátory .
Viz také
- Intervence AUV - Typ autonomního podvodního vozidla schopného autonomních zásahů
- Podvodní kluzák - Typ autonomního podvodního vozidla
- Bionika - Aplikace přírodních systémů na technologie
- Biomimetika - Imitace biologických systémů pro řešení lidských problémů
- Výzkumný ústav akvárií Monterey Bay
- Úřad pro námořní výzkum
- Národní oceánografické centrum, Southampton
- DeepC - autonomní podvodní vozidlo poháněné palivovým článkem
- Národní institut pro podmořskou vědu a technologii
- AUV-150 -Bezpilotní podvodní vozidlo ve vývoji Centrálního výzkumného ústavu strojního inženýrství
- REMUS (AUV) - Autonomní řada podvodních vozidel
- MAYA AUV - Autonomní podvodní vozidlo z Národního oceánografického institutu v Indii
- Torpédo -podvodní zbraň s vlastním pohonem
- Theseus (AUV) - Velké autonomní podvodní vozidlo pro pokládání optických kabelů
- Eelume - autonomní podvodní vozidlo vyvíjené společností Eelume AS
Reference
Bibliografie
- Technologie a aplikace autonomních podvodních vozidel Gwyn Griffiths ISBN 978-0-415-30154-1
- Přezkum vývoje autonomních podvodních vozidel (AUV) ISBN 978-1-155-10695-3
- Masterclass v technologii AUV pro polární vědu ISBN 978-0-906940-48-8
- The Operation of Autonomous Underwater Vehicles2 ISBN 978-0-906940-40-2
- 1996 Symposium on Autonomous Underwater Vehicle Technology ISBN 978-0-7803-3185-3
- Vývoj autonomního podvodního vozidla ISBN 978-3-639-09644-6
- Optimální řídicí systém pro poloautonomní podvodní vozidlo ISBN 978-3-639-24545-5
- Autonomní podvodní vozidla ISBN 978-1-4398-1831-2
- Doporučený kodex pro provozování autonomních námořních vozidel ISBN 978-0-906940-51-8
- Autonomer Mobiler Roboter ISBN 978-1-158-80510-5
- Dálkově ovládané podvodní vozidlo ISBN 978-613-0-30144-6
- Podvodní roboti ISBN 978-3-540-31752-4
- The World AUV Market Report 2010-2019 ISBN 978-1-905183-48-7
- Autonomní podvodní vozidla: Design a praxe ISBN 978-1-78561-703-4